嵌入式工控系统是现代工业自动化的核心组成部分，广泛应用于制造业、能源、交通、环保等领域。
在嵌入式工控系统中，输入输出模块（Input/Output Module，简称I/O模块）扮演着至关重要的角色。
本文将对输入输出模块的功能、作用及其在嵌入式工控系统中的关键角色进行详细阐述。
输入输出模块是嵌入式工控系统中实现数据交互的桥梁和纽带。其主要功能包括：
1. 数据采集：采集现场设备的状态信息，如开关量、模拟量等。
2. 数据传输：将采集的数据传输至主控系统，并接收主控系统的指令。
3. 控制执行：根据主控系统的指令，控制现场设备的运行。
4. 监控与诊断：对现场设备进行实时监控，诊断设备故障并上报。
1. 数据交互：实现现场设备与主控系统之间的数据交互，确保信息的实时性和准确性。
2. 提高系统可靠性：通过数据采集和监控功能，及时发现设备故障并采取相应的处理措施，提高系统的可靠性和稳定性。
3. 灵活扩展：支持多种类型的输入输出信号，方便用户根据实际需求进行灵活扩展。
4. 降低开发难度：提供标准化的接口和协议，降低嵌入式工控系统的开发难度和成本。
1. 系统集成：输入输出模块作为嵌入式工控系统的关键组成部分，负责将各种现场设备与主控系统进行有效的集成，实现数据的共享和协同工作。
2. 实时性保障：输入输出模块能够快速响应现场设备的状态变化，并将数据传输至主控系统，确保系统实时性要求得到满足。
3. 故障诊断与处理：通过监控和诊断功能，输入输出模块能够及时发现设备故障并上报，协助维修人员快速定位问题并进行处理，提高系统的运行效率。
4. 适应多种应用场景：输入输出模块支持多种类型的输入输出信号，如数字量、模拟量、脉冲量等，可广泛应用于不同的工业领域和场景。
5. 提升系统性能：采用先进的芯片技术和算法，输入输出模块的处理速度和数据精度不断提高，为提升嵌入式工控系统的整体性能奠定了基础。
6. 促进工业自动化发展：随着工业自动化程度的不断提高，输入输出模块在嵌入式工控系统中的作用日益凸显，成为推动工业自动化发展的重要力量。
1. 高速化：满足更高频率的数据采集和传输需求。
2. 智能化：具备更强的数据处理和自学习能力。
3. 模块化：支持热插拔、易于维护和扩展。
4. 标准化：遵循统一的接口和协议标准，提高系统的兼容性。
输入输出模块在嵌入式工控系统中扮演着关键角色。
其数据采集、传输、控制执行和监控诊断等功能为嵌入式工控系统的稳定运行提供了重要保障。
随着工业自动化程度的不断提高，输入输出模块的发展趋势将更加高速化、智能化、模块化、标准化。
因此，加强输入输出模块的研发和应用对于推动工业自动化发展具有重要意义。
PLC组成运算和控制中心起“心脏”作用。 纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。 横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。 然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。 把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。 组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。 这些电路集成在一个芯片上。 CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。 2． 存储器具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。 系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。 由只读存储器、ROM组成。 厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。 用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。 由随机存取存储器（RAM）组成。 用户使用的。 断电内容消失。 常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。 3．输入/输出接口（1）输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。 发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。 光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。 在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。 输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。 当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。 向内部电路输入信号。 也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。 （2）输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。 当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。 也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。 （3）还有特别用来输入/输出模拟电流信号和高速脉冲信号的特殊结构，例如：模数/数模转换模块、高速计数模块等。 4．编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，方便，我们实验室使用的就是手持编程器。 二种是通过PLC的RS232口，与计算机相连，然后敲击键盘，通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。 PLC的基本工作原理PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1．每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。 2．输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。 只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 5．扫描周期的长短由三条决定。 （1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。 6．由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
PLC系统组成及各部分的功能 一．系统组成。 二．各部分的作用。 1． CPU运算和控制中心 起“心脏”作用。 纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。 横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。 然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。 把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。 组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。 这些电路集成在一个芯片上。 CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。 2． 存储器 具有记忆功能的半导体电路。 分为系统程序存储器和用户存储器。 系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。 由只读存储器、ROM组成。 厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。 用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。 由随机存取存储器（RAM）组成。 用户使用的。 断电内容消失。 常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。 3．输入/输出接口 （1）输入接口： 光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。 发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。 光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。 在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。 输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。 当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。 向内部电路输入信号。 也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。 （2）输出接口 PLC的继电器输出接口电路 工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。 当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。 也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。 三种类型： 继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载 晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载 晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载 4．编程器 编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。 我们实验室使用的就是手持编程器。 二种是通过PLC的RS232口。 与计算机相连。 然后敲击键盘。 通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。 第二节 PLC的基本工作原理 一．PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式 1．每次扫描过程。 集中对输入信号进行采样。 集中对输出信号进行刷新。 2．输入刷新过程。 当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。 只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 5．扫描周期的长短由三条决定。 （1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数 6．由于采用集中采样。 集中输出的方式。 存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。 二．PLC与继电器控制系统、微机区别 1．PLC与继电器控制系统区别 前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。 前者用“软件”，后者用“硬件”。 2．PLC与微机区别 前者工作方式是“循环扫描”。 后者工作方式是“待命或中断” PLC 编程方式 PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。 用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。 PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。 尤其前两者为常用。 梯形图语言特点： 1．每个梯形图由多个梯级组成。 2．梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。 当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。 3．继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。 4．每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。 5．输入继电器受外部信号控制。 只出现触点，不出现线圈。 第四节 主要技术性能 用户程序存储容量：是衡量可存储用户应用程序多少的指标。 通常以字或K字为单位。 16位二进制数为一个字，每1024个字为1K字。 PLC以字为单位存储指令和数据。 一般的逻辑操作指令每条占1个字。 定时/计数，移位指令占2个字。 数据操作指令占2~4个字。 每五节 PLC的分类 按结构分类： 1． 整体式：是把PLC各组成部分安装在一起或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在机壳内形成一个单一的整体，称之为主机或基本单元、小型、超小型PLC采用这种结构。 模块式：是把PLC各基本组成做成独立的模块。 中型、大型PLC采用这种方式。 便于维修。
可编程控制器简称PC（Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。 为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。 1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ”PLC的特点2.1可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。 由于触点接触不良，容易出现故障。 PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。 一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。 从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。 此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。 在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2.2硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。 PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。 PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。 除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。 加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 2.3易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。 它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 2.4系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。 这种编程方法很有规律，很容易掌握。 对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。 更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。 这很适合多品种、小批量的生产场合。 2.5体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。 它的重量小于150g，功耗仅数瓦。 由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 3.1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。 如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 3.2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。 为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。 PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3.3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。 从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。 世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 3.4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。 作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。 PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。 大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。 PID处理一般是运行专用的PID子程序。 过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 3.5数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。 数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 3.6通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。 随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。 新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
1.使用灵活、通用性强——PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。 在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。 当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。 2.可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器—接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。 PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5万小时。 PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。 如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。 3.接口简单、维护方便——PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。 有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。 4.体积小、功耗小、性价比高——以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216×127×110mm3，重2.3kg，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的10～20％。 PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。 5.编程简单、容易掌握——PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和习惯。 大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。 编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。 利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。 6.设计、施工、调试周期短——用继电器—接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。 而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。 由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。 PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。 PLC的类型1．按I/O点数及存储器的容量分类一般而言，处理的I/O点数比较多，则控制关系比较复杂，用户需要的程序存储器容量比较大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程也比较快等。 按PLC的输入输出点数可分为如下三类：1）小型PLC——小型PLC的功能一般以开关量控制为主，其输入、输出总点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4K字以下。 现在的高性能小型PLC还具有一定的通讯能力和少量的模拟量处理能力。 这类PLC的特点是价格低廉，体积小巧，适合于控制单台设备，开发机电一体化产品。 典型的小型机有西门子公司的S7-200系列、Rockwell公司的SLC500系列、OMRON公司的CPM2A系列、三菱公司的FX系列等产品。 2）中型PLC——中型PLC的输入、输出总点数在256～1024点之间，用户程序存储器的容量大于8K字。 中型PLC具有更强的模拟量处理能力、数字计算能力和通讯能力。 中型
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